超声椭圆振动切削加工雕刻曲面的新方法

抽象：

提出了一种新的加工方法，通过椭圆振动切削获得雕刻镜面。与传统的旋转立铣刀不同，该刀具以椭圆形振动，并沿着雕刻表面进给根据所提出方法中的雕刻表面取向来控制工具的旋转位置。为了用单晶金刚石工具实现淬硬模具钢的雕刻表面加工，需要特殊部件，即能够在3D空间中产生任意超声波椭圆振动的振动系统，4轴控制精密机床和特殊CAM系统。椭圆振动开发了由三自由度超声振动工具和振动控制器组成的系统。通过组合两个弯曲振动和纵向，振动工具可以产生34.4kHz的任意椭圆振动振动。制造振动控制器以保持椭圆振动在3D空间中具有期望的轨迹。 4轴控制精密机床，由气动主轴，精密直线导轨，开发出精密滚珠丝杠等。使用商业CAM软件并开发了一种特殊的后处理器来生成用于雕刻表面的4轴控制加工的刀具路径。研制的超声波椭圆振动加工系统应用于淬硬模具钢的精密金刚石切削，确认球面可以实现表面粗糙度小于0.28 Pm Rz的镜面加工加工硬化模具钢。

一，简介

  用于模具和模具的硬化钢通常通过球头铣削，磨削或放电加工来加工[1]。随后进行抛光，因为在许多情况下需要镜面抛光。然而，抛光是这是一个昂贵且耗时的过程，它会降低加工精度，并且不适合完成微结构。

  另一方面，作者开发了一种新的切削方法 - 椭圆振动切削[2-7]，可以实现难切削材料的镜面加工，包括硬化模具钢，单晶钻石工具。下一个目标之一是开发一个精密加工中心，采用椭圆振动切割，无需抛光即可获得雕刻镜面。

  本研究提出了一种新方法，有利于通过椭圆振动切割获得雕刻表面。一种新型超声波椭圆振动工具，具有3个自由度（DOF）和一台精密机床该工具是为所提出的加工方法开发的，并应用于硬化模具钢的镜面加工。

一种加工雕刻表面的新方法的研究

2.1椭圆振动切削加工

  图1显示了椭圆振动切割过程的示意图。刀具以椭圆形方式振动，同时相对于工件以标称切削方向进给，从而形成切屑间歇地在每个振动周期中拉出。由于切屑与刀具前刀面之间的摩擦力相反，因此剪切角增大，切削力和切削能量降低显著。

2.2雕刻曲面的椭圆振动切削

  硬化模具钢的雕刻表面通常通过球头铣削加工，如图2（a）所示，随后在需要镜面时抛光粗糙表面。超声波椭圆振动在本研究中应用切割以消除抛光过程。图2（b）显示了所提出的加工方法。与传统的旋转立铣刀不同，该工具采用椭圆形振动，并沿着该工具进给雕刻表面，同时根据雕刻的表面方向精确控制工具的旋转位置。因此，所提出的方法需要具有至少4个轴的精密机床，即X，Y，Z和C，加工雕刻表面。

  两种切割过程都是间歇性的，但与图2相比，椭圆振动切割的频率要高得多，半径也要小得多。这些差异使金刚石工具的镜面加工成为可能。正如之前的论文[4-6]所报道的那样。

  振动工具也可以像端铣刀一样旋转。然而，这种振动铣削被认为是多余的，因为振动切削本身是间歇过程。本方法更有利于表面粗糙度，刀具寿命和效率，因为铣削过程中的余摆线路径会增加表面粗糙度和不必要的空气切削。

传统的超声波椭圆振动器产生固定平面中的椭圆振动，大致垂直于振动器轴[3-7]。因此，一种新的三自由度椭圆振动工具，可以在三维空间中产生任意的超声波椭圆振动希望能够加工各种雕刻表面。此外，需要精密机床和CAM的特殊后处理器来实现所提出的加工。

3.三自由度超声振动系统的开发

  传统的椭圆振动工具[3-5]是通过组合两个弯曲振动而开发的。此处进一步组合纵向振动以在3D空间中产生任意椭圆振动，参见图3该工具利用U和V方向上的弯曲振动的第四谐振模式和Z方向上的纵向振动的第二谐振模式。

  这两种谐振模式的频率和节点位置通常是不同的，因此振动器的形状应该设计成使它们的频率和节点位置同时彼此靠近。一，第二选择纵向振动的共振模式，使得振动器具有两个节点并且可以在两个节点位置处刚性地支撑。接下来，选择弯曲振动的第四谐振模式，因为两个节点位置相对接近纵向位置。通过制作阶梯式和锥形部分（见图3）并改变它们的尺寸来调节谐振频率和节点位置。这个设计得到了协助计算机模拟。通过Euler-Bernoulli梁分析对它们进行粗略调整，然后利用有限元分析确定最终形状，如图4。

  弯曲振动由图3所示的四个压电板（PZT）激发。左右PZT以180度的相移伸展和收缩，以使振动器沿V方向弯曲。前面和后面的以相同的方式使用它在U方向弯曲它。通过使用具有相同相位的其他四个PZT来激励纵向振动。这些三个方向振动由小型PZT传感器检测，并且这些信号用于串扰消除，振动幅度和相位差的反馈控制，以及谐振追踪[5]。在3中省略了为3自由度振动工具开发的控制系统的细节目前的论文。

  建议在超声波椭圆振动切削中将椭圆振动应用于包括切削方向和大致切屑流动方向的平面[2,3,7]。因此，振动在这里施加在平面中包括切割方向，即U方向，以及从振动器轴倾斜的方向，如图3中的红色箭头所示，其大致是角加工区域中的平均切屑流动方向。

  图5显示了开发的3 DOF超声波振动工具，带有单晶金刚石刀尖。谐振频率调整到34.4 kHz，开发的系统可以产生任意的椭圆振动轨迹3D空间中的任意平面。最大值幅度在U和V方向上为30 Pmp-p，在Z方向上为24 Pmp-p，分别对应于195和156 m / min。

4.椭圆振动切削系统的开发

  为基于商业加工中心的所提出的加工方法开发了精密机床，参见图6。开发的三自由度振动工具安装在C轴主轴上，并连接到控制器和功率放大器。由于它们通过电线连接，因此C轴不能无限旋转。工具沿着每个Z水平的雕刻表面进给，并根据切割表面方向旋转提出的方法，如图2（b）所示。因此，在目前的研究阶段，C轴被反向旋转以在每次旋转之后重绕线。在下一阶段，电线将由滑环或变压器代替。

  镜面抛光通常需要最大表面粗糙度小于约100nm。因此，机床的运动误差应小于约100nm，包括工具和工具之间的不希望的振动工件由于油/气泵，风扇等。通过将空气轴用于C轴，旋转运动误差在X方向上被约束到约20nm并且在不可重复的跳动中被限制在Y方向上约80nm。（NRRO），如图7所示。这些是通过将主球固定到工具主轴并使用固定在工件台上的电容传感器测量其径向位移来评估的。精密滚珠丝杠，扭矩波动小X，Y和Z轴采用精密直线滚子导轨。例如，图8显示了X轴进给台的线性运动误差。通过在进料台上固定直边并测量来测量它们它的位移与电容式传感器固定在主轴上。如图所示，运动的波动相对较大，间距为10 mm，几乎与滚珠丝杠的螺距相对应，也是一个用于直线导轨的滚子的旋转。然而，影响镜面质量的运动误差的较小间距分量远小于100nm。主轴和进给台的这些误差运动包括刀具主轴和工件台之间的不希望的振动，因为两者都是在主轴和工作台之间相对地测量的。

  利用商业CAM软件，其从CAD数据向切割表面输出CL数据和法向矢量。这里开发了一种特殊的后处理器，用于将法向矢量转换为C轴的旋转角度，从而实现在每个Z级切削中刀具的前角保持恒定，而切削方向沿弯曲路径变化。

5.MACHINING EXPERIMENTS

  进行加工实验以检查所开发系统的基本性能。首先进行刨削实验，因为加工系统的基本性能明显地出现在平坦表面上。然后，一个球形通过所提出的利用4轴控制的加工方法加工形状。硬度为HRC54或40的硬化模具钢用作工件材料，并用单晶金刚石工具切割。这两个实验都是仅通过椭圆振动切割进行，因为众所周知，钢不能通过普通的金刚石切割加工。加工条件总结在表1中。

  刨削实验的结果如图4和图5所示。 9-13。在此加工中，切割表面在此绕X轴倾斜38.7度，因此所有X，Y和Z轴都参与操作。如图9所示，一面镜子通过本方法成功地获得表面。图10显示了用差示干涉显微镜拍摄的切割表面的照片。几乎没有观察到进给标记，其间距对应于进料速度为15微米。切割方向上的其他标记清晰显示，间距约为2.5微米。椭圆振动切割过程导致小的几何波纹在如图2（b）所示的切割方向上，但在目前的条件下，其间距和高度理论上应分别为0.48μm和5.3nm。认为这些标记是由第一共振模式引起的振动器的弯曲振动，其频率为6.5 kHz，与标记的频率一致。图11显示了配置文件切割表面在切割和进给方向上测量。它们表明由于进给标记和其它标记引起的粗糙度约为50nm，并且在没有抛光的情况下获得了约150nm Rz的最大粗糙度。

  图12显示了通过所提出的方法完成的球形钢镜。结果表明，采用4轴控制的椭圆振动切削可以获得硬化模具钢的曲面镜面。

  图13显示了在法向量与球体顶部成30度的位置处测量的表面轮廓。对于球形表面，实现了约280nm Rz的最大粗糙度，如图所示数字。

六，结论

  提出了利用椭圆振动切削技术加工硬化模具钢雕刻镜面的新方法。 3自由度超声波振动系统，是实现该系统的关键部件提出了加工，精密机床和CAM后处理器，并通过开发的系统成功地获得了平面和球面钢镜。结果验证了所提出的有效性方法和开发的系统。预计通过该方法可以很快实现硬化模具钢的雕刻镜面加工。

7.ACKNOWLEDGMENTS

  作者衷心感谢本田电子有限公司A.S.M.T.Diamond Corp.，Sansyu Finetool Co.，Ltd。和Echo Electronics Co.，Ltd。的支持和建议，以及研究生A. Nakamura先生的支持和建议帮助。该研究得到了日本经济产业省中部局作为区域研发联合项目的财政支持。